TW202123610A - 減少開關節點振鈴的開關電路 - Google Patents

減少開關節點振鈴的開關電路 Download PDF

Info

Publication number
TW202123610A
TW202123610A TW109142619A TW109142619A TW202123610A TW 202123610 A TW202123610 A TW 202123610A TW 109142619 A TW109142619 A TW 109142619A TW 109142619 A TW109142619 A TW 109142619A TW 202123610 A TW202123610 A TW 202123610A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
switch
pwm signal
gate drive
main switch
auxiliary
Prior art date
Application number
TW109142619A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI749933B (zh
Inventor
克裡斯•Ｍ 楊
Original Assignee
萬國半導體國際有限合夥公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 萬國半導體國際有限合夥公司 filed Critical 萬國半導體國際有限合夥公司
Publication of TW202123610A publication Critical patent/TW202123610A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI749933B publication Critical patent/TWI749933B/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
    • H03K17/161—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches
    • H03K17/162—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/163—Soft switching
    • H03K17/164—Soft switching using parallel switching arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/28—Modifications for introducing a time delay before switching
    • H03K17/284—Modifications for introducing a time delay before switching in field effect transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/01—Details
    • H03K3/017—Adjustment of width or dutycycle of pulses
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0063—High side switches, i.e. the higher potential [DC] or life wire [AC] being directly connected to the switch and not via the load
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0072—Low side switches, i.e. the lower potential [DC] or neutral wire [AC] being directly connected to the switch and not via the load
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/01—Details
    • H03K3/012—Modifications of generator to improve response time or to decrease power consumption

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

設備及其相關方法涉及提供具有輔助電源開關的功率級，並聯耦合到高端開關或低端開關上，並且在打開高端開關之前打開輔助電源開關。在一個說明性示例中，輔助電源開關可與高端開關並聯連接。輔助電源開關的接通電阻可能大於高端開關的接通電阻。可以配置閘極驅動引擎，為功率級中的開關產生閘極驅動訊號，使得輔助電源開關比高端開關早一段預定時間段接通。因此，可以有利地減少或消除功率級的交換節點處的振鈴。

Description

減少開關節點振鈴的開關電路
各個實施例主要涉及開關電路。
電子設備，也可以稱為負載，從各種電源接收電力。例如，一些電源可以耦合到牆上插座處的負載設備（例如，來自電源），或者可以更直接地耦合到各種本地和/或可擕式電源（例如，電池、可再生能源、發電機）。一些負載設備，如中央處理器（CPU）和圖形處理器（GPU）繼續對輸入電流提出更高的要求，同時要求電源進行嚴格的電壓調節和/或高效率。
在一些電子設備中，源電壓供應（例如電池輸入、整流電源、中間直流電源）可通過各種電壓轉換電路轉換為負載相容電壓。開關電源由於其高效率而成為電壓轉換電路，因此常被用來供應各種電子負載。
開關電源使用開關器件轉換電壓，開關器件以極低的電阻接通，以極高的電阻關斷。開關模式電源可在一段時間內對輸出電感器充電，並可在隨後的時間段內釋放部分或全部電感器能量。輸出能量可以被傳送到一組輸出電容器，這些電容器提供濾波以產生直流輸出電壓。在降壓型開關電源中，穩態下的輸出電壓可近似為輸入電壓乘以一個工作週期，其中工作週期是一個通斷開關的接通時間除以一個開關週期內通斷開關的總接通時間和斷開時間。
設備及其相關方法涉及提供一種功率級，其具有與功率級中的高端開關或低端開關之一並聯的輔助電源開關，並且在打開高端開關之前的預定時間內打開輔助電源開關。在說明性示例中，輔助電源開關可與高端開關並聯連接。輔助電源開關的接通電阻可能大於高端開關的接通電阻。閘極驅動引擎可以被配置成為功率級中的開關產生閘極驅動訊號，使得輔助電源開關可以比高端開關更早地接通預定的時間持續時間。因此，可以有利地減少或消除功率級的交換節點處的振鈴。
各種實施例可實現一個或複數個優點。例如，一些實施例可以減少或消除開關節點處的振鈴，使得施加到功率級和負載中的開關的振盪電壓可以降低，這可以有利地提高功率級和負載中開關的可靠性。例如，可以保護開關不被擊穿。另外，由於減少了在交換節點處的振鈴，也可以減少在振鈴期間消耗的功率，這樣可以有利地提高功率級的功率效率。振鈴所產生的電磁干擾也可以減少。
在一些實施例中，在接通高端開關之後，可以在脈衝調製寬度（PWM）訊號的後緣之前關閉輔助電源開關，以降低輔助電源開關消耗的功率，以進一步改善輔助電源開關的熱性能。在一些實施例中，功率級中的每個開關可以由相應的閘極驅動器以高電流驅動，而不會在功率級中引入過多的振鈴。
在一些實施例中，前緣消隱電路可用於空白PWM訊號的前沿，以使輔助開關比高壓側開關更早接通。由於前沿消隱電路設置在相應的閘極驅動器之前，因此可以保持功率級的高開啟速度，並且不會影響開關頻率。在一些實施例中，功率級中使用的開關可以是例如FinFET、橫向MOSFET、垂直MOSFET（例如，溝槽MOSFET）和/或BJT。用於驅動開關的閘極驅動器可與開關集成在一起，以減少功率級所消耗的面積。
在附圖和下面的描述中闡述了各種實施例的細節。其他特徵和優點將從說明書和附圖以及權利要求書中顯而易見。
為便於理解，本說明書的組織如下。首先，參照第1圖，簡要介紹在電壓調節器中實現的具有減少振鈴的功率級的典型開關電路和在代表性計算產品中的典型實現。其次，參照第2圖，討論閘極驅動器和功率級使用的具有不同前沿的兩個示例性PWM訊號。然後，參照第3-4圖，討論了實現和操作開關電路的示例性方法。參照第5-6C圖，進行了典型的類比，以顯示不同功率級的不同振鈴。然後，參照第7A-7B圖，討論了用於開關電路中的閘極驅動引擎的其他典型結構。最後，參照第8A-8B圖，討論轉向示出電壓調節器中使用的另一開關電路的結構和相應的模擬結果的典型實施例。
直流-直流電壓轉換通常由開關式電壓調節器執行，也稱為電壓轉換器或負載點（POL）調節器/轉換器。一種稱為降壓或降壓調節器的直流-直流轉換器，可以根據一個或複數個負載設備的要求，將較高的電壓（例如12V）轉換為較低的值。更一般地，電壓調節器和電流調節器通常被稱為功率轉換器，並且如本文所使用的，術語“功率轉換器”是指包括此類裝置。
第1圖表示在典型的電壓調節器中實現的具有低開關節點振鈴的典型開關電路。在這個描繪的示例中，系統100包括供電負載系統105（例如電腦）。供電負載系統105包括在提供一個或複數個負載115的電腦105中，實現的一個或複數個交錯電源110。負載115可以包括計算系統的一個或複數個元件（例如處理器的核心軌道）。在一些示例中，可以指定負載115在具有有限電壓擾動的電壓下運行。電源110包括一個電壓調節器120。電壓調節器120調節供給到負載115的電流或電壓。在這個典型實施例中，電壓調節器120包括電壓調節器控制器125，其被配置成使電壓調節器120產生經調節的輸出電壓Vout 。電壓調節器控制器125被配置成產生並動態調製脈衝寬度調製（PWM）訊號的頻率，以實現快速瞬態回應。更具體地說，電壓調節器120包括閘極驅動器發動機130，其被配置為接收原始PWM訊號（PWM0）並產生驅動訊號（例如，驅動訊號135a、135b、135c），以驅動開關模式功率級140。開關模式功率級140包括第二高端電晶體，該第二高端電晶體可以早于第一高端電晶體接通，以有利地減少或消除功率級140的開關節點處的振鈴。
更具體地說，在這個典型實施例中，功率級140包括第一高端開關（例如，MOSFET）Q1和低端開關Q2。在這個描述性示例中，高端開關Q1和低端開關Q2都是N型金屬氧化物半導體場效應電晶體（NMOSFET）。耦合高端開關Q1的汲極，以接收預定功率VCC ，並且高端開關Q1的源耦合到中間開關節點SW上。低端開關Q2的汲極耦合到中間開關節點SW上，並且低端開關Q2的源耦合到基準電壓電平（例如，GND）上。例如，低端開關Q2可以是同步整流器。
功率級140還包括第二高端開關（例如，MOSFET）Q3（例如輔助開關）。在這個描述性示例中，第二高端開關Q3也是NMOSFET。第二高端開關Q3的汲極耦合到第一高端開關Q1的汲極上，並且高端開關Q3的源極耦合到中間交換機節點SW上。Q3的導通電阻（如1歐姆）可能大於Q1的導通電阻（如5毫歐），從而在減少或消除振鈴的情況下將開關節點拉到輸入電壓。在另一實例中，輔助開關Q3可並聯耦合到低端開關Q2上。參考第8A圖，討論該開關電路的典型架構。
Q1、Q2和Q3的閘極端子分別由相應的閘極驅動器GD1、GD2和GD3生成的相應驅動訊號135a、135和135c驅動。三個閘極驅動器GD1、GD2和GD3被用於以預定方式，精確地控制各個開關的打開和關閉的相對定時。回應於不同的驅動訊號，在低端到高端轉換期間，第二高端開關Q3被配置為比第一高端開關Q1更早地接通，並且在適當的時間之後，第一高端開關Q1可以在PWM脈衝的剩餘持續時間內被接通，使得在開關節點SW處的振鈴可以被接通大幅度減少或消除。在MOSFET的情況下，由於閘極電壓的作用，電晶體從高阻狀態變為低阻狀態時，可以被認為是“開啟”的。因此，可以減少對電源開關的過電壓（例如擊穿）損傷。
在這個描述性示例中，通過在閘極驅動引擎130中提供前沿消隱電路LEBC來實現比第一高端開關Q1更早地接通第二高端開關Q3。LEBC配置為接收原始PWM訊號PWM0，並清空原始PWM訊號PWM0的前沿。前沿空白PWM訊號PWM1由第一閘極驅動器GD1接收，以生成用於第一高端開關Q1的第一驅動訊號135a。參考第2圖，表示典型的原始PWM訊號PWM0和前沿消隱PWM訊號PWM1。
在一些實施例中，前沿消隱電路LEBC可以是一個類比電路或數位電路（例如具有週期性遞增的計數器）。在一些實施例中，前沿消隱電路還可以包括狀態機，其被配置成在開關節點處逐週期地傳感電壓，並且當傳感到的電壓不小於預定的電壓值（例如輸入電壓）時打開第一高端開關Q1（例如延遲的PWM訊號的前沿的上升點）。在一些實施例中，高端開關Q1可在第二高端開關Q3接通固定的預定時間（例如1ns）之後接通。例如，可以使用保險絲。其他的典型實施例（參照第7A-7B圖）可以產生不同的閘極驅動訊號，使得輔助電晶體Q3比第一高端電晶體Q1更早導通。
在一些實施例中，第二高端開關Q3的閾值電壓可以小於第一高端開關Q1的閾值電壓，使得第二高端開關Q3可以早于第一高端開關Q1接通。在一些實施例中，第二高端開關Q3的導通電阻可設計為具有適當的電阻（並且獨立于第一高端開關Q1的導通電阻）。例如，當高端開關Q3的導通電阻太小時，在開關節點處的振鈴可能不會顯著降低。當高端開關Q3的導通電阻過大時，開關節點處的電壓可能永遠達不到輸入電壓。
在一些實施例中，第二高端開關Q3的尺寸可以小於第一高端開關Q1的尺寸。例如，第二高端開關Q3的尺寸可以是第一高端開關Q1大小的百分之幾。在一些實施例中，開關Q1、Q2和/或Q3可以是垂直場效應電晶體（例如，溝道MOSFET）或橫向FET。閘極驅動發動機130的部分或全部可以與開關Q1、Q2和/或Q3集成。
電壓調節器120還包括一個電感器145，其中電感器145的一個端子耦合到開關模式功率級140的輸出端。電壓調節器120還包括通過輸出節點耦合到電感器145的另一端子上的電容器150。然後，負載115接收輸出節點處的輸出電壓VOUT 。
第2圖表示開關電路中使用的示例性脈衝寬度調製（PWM）訊號。如第2圖所示，LEBC接收原始PWM訊號PWM0。LEBC產生一個經過處理的PWM訊號PWM1，其前沿在預定的時間內消失。例如，預定的持續時間可以由延遲產生。原始的PWM、PWM0訊號由第三閘極驅動器GD3接收，經處理的PWM訊號PWM1隨後由第一閘極驅動器GD1接收。因此，第二高端電晶體Q3可以早于第一高端電晶體Q1導通，以有利地減少或消除開關節點處的振鈴。
在這個描述性示例中，第一高端開關Q1和第二高端開關Q3都在PWM脈衝結束時斷開。在一些實施例中，第二高端開關Q3可在PWM脈衝結束之前關閉，以減少功率消耗。例如，當第一高端開關Q1接通時，第二高端開關Q3可能被關閉。
第3圖表示用於配置開關電路的示例性方法的流程圖。實現第1圖所示的開關電路的示例性方法300包括：在305處，提供具有第一主開關（例如Q1）的高端電源開關電路，第一主開關具有第一端子（例如Q1的閘極端）、第二端子（例如Q1的汲極端）、第三端子（例如Q1的源極端）。方法300還包括，在310處，將第二端子耦合到第一預定電源電平（例如，VCC ）。
方法300還包括：在315處，提供具有第二主開關（例如Q2）的低端電源開關電路，第二主開關具有第四端子（例如Q2的閘極端）、第五端子（例如Q2的汲極端）和第六端子（例如Q2的源極端）。方法300還包括，在320處，通過開關節點（例如SW節點）將第六端子耦合到第二預定電源電壓電平（例如，GND），並將第五端子耦合到第三端子。方法300還包括，在325處，將輔助開關（例如Q3）並聯耦合到第一主開關或第二主開關，並且輔助開關的導通電阻大於第一主開關Q1的導通電阻；並且
方法300還包括：在330處，配置閘極驅動引擎（例如閘極驅動引擎130）以生成用於第一主開關Q1、第二主開關Q2和輔助開關Q3的閘極驅動訊號（例如，135a-135c），使得輔助開關Q3在預定的時間持續時間（例如消隱時間）早於第一個主開關Q1接通。因此，可以有利地減少或消除開關節點處的振鈴，以提高功率開關的可靠性。
第4圖表示操作開關電路的示例性方法的流程圖。操作開關電路的示例性方法400包括：在405處，回應於第一PWM訊號PWM0的第一PWM脈衝的後緣，打開低端電晶體Q2。方法400還包括：在410處，回應於第一PWM訊號PWM0的第二PWM脈衝的前沿，關閉低端電晶體Q2。方法400還包括：在415處，回應於第一PWM脈衝的前沿，打開第二高端電晶體Q3。方法400還包括：在420處，確定將由第一高端電晶體Q1接收的第二PWM訊號PWM1中的PWM脈衝的前沿（例如，處理後的PWM訊號中的前沿黑化PWM脈衝）是否在預定時間內被遮罩。如果第二PWM訊號PWM1中的PWM脈衝的前沿在預定的持續時間內沒有被消除，那麼該方法返回420，以繼續監視消隱情況，並且如果第二PWM訊號PWM1中的PWM脈衝的前沿在預定的時間內被消隱（例如已經產生了一個處理後的/第二個PWM訊號PWM1）然後，方法400包括：在425處，回應於第二PWM訊號PWM1中的PWM脈衝的前沿，打開第一高端電晶體Q1。因此，第二高端電晶體Q3比第一高端電晶體Q1導通更早。從而可以有利地減少或消除交換節點處的振鈴。
第5圖表示用於模擬的示例性同步降壓電路模型。在這個描述性示例中，提供了一個同步降壓電路模型。示例性寄生電感（例如L1）包含在該模型中。電容器、電感器和負載的典型值被分配來執行模擬。輸入電壓VCC （例如V1）選擇為12V。
第6A-6C圖表示參考第5圖所示的同步降壓電路模型中，開關節點電壓的不同模擬結果。第6A圖表示沒有輔助電晶體Q3的功率級的開關節點電壓。如第6A圖所示，開關節點處的振盪幅度可能高達22.66V（幾乎是輸入電壓VCC 的兩倍），這可能會在功率級損壞開關。如第6A圖所示，負開關節點電壓可由低端開關Q2的本征體二極體引起。第6B圖描繪了接通第二高端電晶體Q3之後的開關節點電壓。由於第二高端電晶體Q3具有更大的導通電阻，開關節點電壓被拉高到輸入電壓，從而減少了振鈴。在延遲之後，第一高端電晶體Q1被導通。開關節點電壓如第6C圖所示。與第6A圖中所示的開關節點電壓相比，具有第二高端電晶體Q3的功率級產生開關節點電壓時幾乎沒有響鈴，同時允許快速開啟速度。
第7A圖表示閘極驅動引擎的第二個典型架構。在該描述性示例中，閘極驅動引擎130b包括延遲電路705，其被配置為接收原始PWM訊號PWM0，並在PWM0上施加延遲，以生成延遲的PWM訊號PWM2。因此，原始PWM訊號PWM0的前沿，早於延遲的PWM訊號PWM2的前沿。原始PWM訊號PWM0被第三閘極驅動器GD3接收，以產生第三閘極驅動訊號135c，並且第一閘極驅動器GD1接收延遲的PWM訊號PWM2，以生成新的第一閘極驅動訊號135a’。因此，第二高端電晶體Q3比第一高端電晶體Q1導通更早。因此，可以有利地減少交換節點處的振鈴。在一些實施例中，延遲電路可以是由延遲線形成的類比電路。在一些實施例中，例如延遲電路可以是由逆變器形成的數位電路。在一些實施例中，延遲電路可以是混合延遲電路。
第7B圖表示閘極驅動引擎的第三個典型架構。在這個描述性示例中，閘極驅動引擎還包括延遲電路705。這裡的延遲電路705用於直接延遲由第一閘極驅動器GD1生成的閘極驅動訊號。這樣，第二高端電晶體Q3也可以早于第一高端電晶體Q1接通。因此，可以有利地減少交換節點處的振鈴。
第8A圖表示具有低開關節點振鈴的另一個示例性開關電路的架構。在這個描述性示例中，輔助開關Q3與低端電晶體Q2並聯連接。閘極驅動引擎130產生三個閘極驅動訊號135a-135c，以分別控制第一高端電晶體Q1、低端電晶體Q2和輔助開關Q3。輔助開關Q3可以具有比第一高端電晶體Q1更大的導通電阻。輔助開關Q3在與第一高端電晶體Q1同時開始的短時間內接通，使得功率級140’的開關節點處的振鈴有利地減少。使用單次發生器805來控制Q3的導通時間，從而可以控制功率級的開關節點處的振鈴。
第8B圖表示參考第8A圖所示的開關電路中的開關節點電壓的模擬結果。可以使用與參考第5圖討論的模擬環境類似的模擬環境，模擬功率級140’的開關節點電壓。如第8B圖所示，當輔助開關Q3與低端電晶體Q2並聯時，也可以有利地減少開關節點處的振鈴。
雖然已經參考附圖描述了各種實施例，但是也可能存在其他實施例。例如在一些實施例中，閘極驅動引擎可以包括一個訊號控制電路，而不是使用前沿消隱電路，用於接收原始PWM訊號PWM0，並生成一個PWM訊號PWM′，該PWM′具有比原始PWM訊號PWM0更早的前沿。然後，第三閘極驅動器GD3可以接收PWM訊號PWM′，以產生第三閘極驅動電路，以便比第一高端電晶體Q1更早地接通第二高端電晶體Q3。
儘管各種實施例可以使用可重構可程式設計邏輯塊（例如FPGA）來實現，但是其他實施例也可以在固定的產生實體（例如ASIC）中實現，或者與可程式設計邏輯組合在單個積體電路（例如SOC）中。雖然ASIC實施例中的專用硬塊電路一旦在積體電路中產生實體，就不能重新配置，但是在一些實施例中，ASIC實現可以參照，例如功耗和/或晶片面積，提供一個最小化的平臺。
實施例的一些方面可以配置為電腦系統。例如，各種實施例可以包括：數位和/或類比電路、電腦硬體、固件、軟體或其組合等。設備元件可以在資訊載體（例如機器可讀存放裝置）中有形地體現在電腦程式產品中，以供可程式設計處理器執行；並且方法可以由可程式設計處理器執行指令程式，通過操作來執行各種實施例的功能，輸入資料並生成輸出。一些實施例可以有利地實現在可程式設計系統上可執行的一個或複數個電腦程式中，該可程式設計系統包括：耦合成從資料存儲系統、至少一個輸入裝置和/或至少一個輸出設備接收資料和指令，並向其發送資料和指令的可程式設計系統。電腦程式是一組指令，可以直接或間接地在電腦中用來執行某項活動或產生某種結果。電腦程式可以用任何形式的程式設計語言編寫，包括編譯語言或解釋語言，也可以以任何形式部署，包括作為獨立程式或作為模組、元件、子常式或其他適合在計算環境中使用的單元。
作為示例，但不作為局限，用於執行指令程式的合適的處理器包括通用微處理器和專用微處理器，其可以包括單一處理器或任何類型電腦的複數個處理器中的一個。一般來說，處理器將從唯讀記憶體或隨機存取記憶體或兩者中接收指令和資料。電腦的基本元件是一個執行指令的處理器和一個或複數個存儲指令和資料的記憶體。
在各種實施例中，電腦系統可以包括非臨時記憶體。記憶體可以連接到一個或複數個處理器，處理器可以被配置為存儲資料和電腦可讀指令，包括處理器可執行程式指令。資料和電腦可讀指令可由一個或複數個處理器訪問。當由一個或複數個處理器執行時，處理器可執行程式指令可導致一個或複數個處理器執行各種操作。
模組的各種示例可以使用電路來實現，包括各種電子硬體。作為示例，但不作為局限，硬體可以包括：電晶體、電阻器、電容器、開關、積體電路和/或其他模組。在各種示例中，模組可以包括：類比和/或數位邏輯、分立元件、跡線和/或在包括各種積體電路（例如FPGA、ASIC）的矽襯底上製造的記憶體電路。在一些實施例中，模組可涉及由處理器執行的預程式設計指令和/或軟體的執行。例如各種模組可能同時涉及硬體和軟體。
在一個示例性方面中，開關電路包括（a）一個功率級。功率級包括（a1）一個高端電源開關電路，包括一個第一主開關，該第一主開關具有第一端子（閘極端1）、第二端子（汲極端）、第三端子（源極端子），該第二端子（汲極端）與第一預定電源電平（VCC ）耦合，（a2）一個低端電源開關電路，包括一個第二主開關，該第二主開關具有第四端子（閘極端2）、第五端子（汲極端）以及第六端子（源極端），第六端子（源極端）與第二預定電壓電平（GND）耦合，第五端子通過交換節點耦合到第三端子。高端電源開關電路和低端電源開關電路中的一個，還包括輔助開關，該輔助開關並聯在同一功率開關電路中對應的主開關上，該輔助開關的導通電阻大於該第一主開關的導通電阻。該開關電路包括（b）一個閘極驅動引擎，該閘極驅動引擎被配置成為第一主開關、第二主開關和輔助開關產生閘極驅動訊號，使得該輔助開關在該第一主開關之前，開啟預定的時間持續時間。
在一些實施例中，高端電源開關電路可以包括輔助開關，並且輔助開關可以與第一主開關並聯。在一些實施例中，低端功率開關電路可以包括輔助開關，並且輔助開關可以與第二主開關並聯。在一些實施例中，輔助開關的閾值電壓可以小於第一主開關的閾值電壓。
在一些實施例中，閘極驅動引擎可包括（a）一個前緣消隱電路，其被配置成接收第一PWM訊號，並使第一PWM訊號的前沿空白，以產生第二PWM訊號，（b）一個第一驅動器，其被配置為接收該第二PWM訊號，以生成用於該第一主開關的對應閘極驅動訊號；以及（c）一個第二驅動器和一個第三驅動器，該第二驅動器和第三驅動器分別被配置為接收該第一PWM訊號，並為該輔助開關和該第二主開關生成相應的閘極驅動訊號。
在一些實施例中，前沿消隱電路可以包括週期性遞增的計數器。在一些實施例中，前沿消隱電路可包括被配置成在開關節點處傳感電壓的傳感電路，並在傳感電壓不小於預定電壓值時，生成第二PWM訊號，以打開第一主開關。
在一些實施例中，閘極驅動引擎可以包括一個延遲電路，其被配置為接收第一PWM訊號並在第一PWM訊號的前沿產生預定延遲，以生成第三PWM訊號，配置為接收第三PWM訊號，以生成用於第一主開關的相應閘極驅動訊號的第一驅動器，以及一個第二驅動器和一個第三驅動器，其被配置為分別接收第一PWM訊號，並為輔助開關和第二主開關生成相應閘極驅動訊號。
在一些實施例中，相應的閘極驅動訊號可以被配置成比打開輔助開關晚一個固定的預定持續時間來打開第一主開關。在一些實施例中，相應的閘極驅動訊號可以被配置成同時關閉第一主開關和輔助開關。在一些實施例中，相應的閘極驅動訊號可以被配置成在關閉第一主開關之前關閉輔助開關。
在一些實施例中，輔助開關的尺寸可以小於第一主開關的尺寸。在一些實施例中，閘極驅動引擎可包括配置為接收第一PWM訊號以生成第一主開關的第一閘極驅動訊號的第一驅動器、配置為接收第一PWM訊號並為第二主開關生成第二閘極驅動訊號的第二驅動器、配置為接收第一PWM訊號的一個單次發發生器、耦合到該單次發生器的輸出端以生成第二PWM訊號的第二驅動器，以及被配置為接收該第二PWM訊號並為輔助開關生成第三閘極驅動訊號以控制該輔助開關的接通時間的第三驅動器。
在另一示例性方面，一種方法包括（a）提供一種高端電源開關電路，該高端電源開關電路包括一個第一主開關，該第一主開關具有第一端子、第二端子、第三端子，（b）將第二端子耦合到第一預定電源電平，（c）提供一種低端電源開關電路，該低端電源開關電路包括一個第二主開關，該第二主開關具有第四端子、第五端子和第六端子，（d）通過開關節點將第六端子耦合到第二預定電源電壓電平，並耦合和將第五端子連接到第三端子，（e）將輔助開關並聯耦合到第一主開關或第二主開關，其中輔助開關的導通電阻大於第一主開關的導通電阻，以及（f）配置閘極驅動引擎以生成閘極驅動訊號，用於第一主開關、第二主開關和輔助開關，使得輔助開關在比第一主開關更早的預定時間內接通。
在一些實施例中，該方法還可以包括將輔助開關與第一主開關並聯耦合。在一些實施例中，該方法還可以包括將輔助開關並聯耦合到第二主開關。在一些實施例中，輔助開關的閾值電壓可以小於第一主開關的閾值電壓。
在一些實施例中，配置閘極驅動引擎可包括（a）配置前沿消隱電路以接收第一PWM訊號，並使第一PWM訊號的前沿空白，以生成第二PWM訊號，（b） 配置第一驅動器以接收第二PWM訊號，以生成用於第一主開關的對應閘極驅動訊號，以及（c）配置第二驅動器和第三驅動器，以分別接收該第一PWM訊號，並分別為輔助開關和第二主開關生成相應的閘極驅動訊號。
在一些實施例中，前沿消隱電路可以包括週期性遞增的計數器。在一些實施例中，配置閘極驅動引擎可包括（a）配置延遲電路以接收第一PWM訊號，並在第一PWM訊號的前沿產生預定延遲以生成第三PWM訊號，（b）配置第一驅動器以接收第三PWM訊號，以便為第一主開關生成對應的閘極驅動訊號，以及（c）配置第二驅動器和第三驅動器以分別接收第一PWM訊號，並分別為輔助開關和第二主開關生成相應的閘極驅動訊號。
雖然上文已經描述了本發明的多種實施例。然而，可以理解的是，本發明可以進行各種修改。例如，如果以不同的循序執行所公開技術的步驟，或者如果以不同的方式組合所公開系統的元件，或者如果用其他元件來補充這些元件，則可以獲得有利的結果。因此，其他實現方式在以下權利要求的範圍內限定。
100:系統 105:供電負載系統 110:電源 115:負載 120:電壓調節器 125:電壓調節器控制器 130:閘極驅動器發動機 130b:閘極驅動引擎 130c:閘極驅動引擎 135a:驅動訊號 135b:驅動訊號 135c:驅動訊號 140:開關模式功率級 145:電感器 150:電容器 705:延遲電路 805:單次發生器
第1圖表示在一個典型的電源調製器中配置的帶有低開關節點振鈴的典型開關電路。 第2圖表示開關電路中使用的脈衝寬度調製（PWM）訊號的典型時序圖。 第3圖表示用於配置開關電路的一種典型方法的流程圖。 第4圖表示用於運行開關電路的一種典型方法的流程圖。 第5圖表示用於模擬的一種典型的同步降壓電路模組。 第6A-6C圖表示第5圖所示的同步降壓電路模組中的開關節點電壓不同的模擬結果。 第7A圖表示閘極驅動引擎的第二種典型結構。 第7B圖表示閘極驅動引擎的第三種典型結構。 第8A圖表示帶有低開關節點振鈴的另一種典型開關電路的結構。 第8B圖表示第8A圖所示的開關電路中開關節點電壓的模擬結果。 各種圖紙中的相似參考符號表示相似的元件。
100:系統
105:供電負載系統
110:電源
115:負載
120:電壓調節器
125:電壓調節器控制器
130:閘極驅動器發動機
135a:驅動訊號
135b:驅動訊號
135c:驅動訊號
140:開關模式功率級
145:電感器
150:電容器

Claims (13)

  1. 一種開關電路，包括： （a）一個功率級，包括： （a1）一個高端電源開關電路，包括一個第一主開關，該第一主開關具有第一端子、第二端子、第三端子，第二端子耦合到第一預定的電源電平上； （a2）一個低端電源開關電路，包括一個第二主開關，該第二主開關具有第四端子、第五端子和第六端子，第六端子耦合到第二預定的電源電平上，第五端子通過一個開關節點耦合到第三端子上， 其中高端電源開關電路和低端電源開關電路中的一個還包括一個輔助開關，輔助開關耦合到並聯在同一個電源開關電路中相應的主開關上，輔助開關的導通電阻大於第一主開關的導通電阻； （b）一個閘極驅動引擎，通過配置為第一主開關、第二主開關和輔助開關產生閘極驅動訊號，使得輔助開關比第一主開關早接通一段預定義的時間段。
  2. 如請求項1所述之開關電路，其中高端電源開關電路包括該的輔助開關，該的輔助開關與第一主開關並聯。
  3. 如請求項1所述之開關電路，其中低端電源開關電路包括該的輔助開關，該的輔助開關與第二主開關並聯。
  4. 如請求項3所述之開關電路，其中閘極驅動引擎包括： 一個第一驅動器，通過配置接收第一PWM訊號，以便為第一主開關產生第一閘極驅動訊號； 一個第二驅動器，通過配置接收第一PWM訊號，以便為第二主開關產生第二閘極驅動訊號； 一個單次發生器，通過配置接收第一PWM訊號並產生第二PWM訊號；以及 一個第三驅動器，通過配置接收第二PWM訊號，並為輔助開關產生第三閘極驅動訊號，以控制輔助開關的接通時間。
  5. 如請求項1所述之開關電路，其中輔助開關的閾值電壓小於第一主開關的閾值電壓。
  6. 如請求項1所述之開關電路，其中閘極驅動引擎包括： 一個前沿消隱電路，通過配置接收第一PWM訊號並消隱第一PWM訊號的前沿，以產生第二PWM訊號； 一個第一驅動器，通過配置接收第二PWM訊號，為第一主開關產生相應的閘極驅動訊號；以及 一個第二驅動器和一個第三驅動器，通過配置接收第一PWM訊號，並分別為輔助開關和第二主開關產生相應的閘極驅動訊號。
  7. 如請求項6所述之開關電路，其中前沿消隱電路包括一個週期性遞增的計數器。
  8. 如請求項6所述之開關電路，其中前沿消隱電路包括一個傳感電路，通過配置傳感開關節點處的電壓，並產生第二PWM訊號，當感應電壓不小於預定義的電壓值時，接通第一主開關。
  9. 如請求項1所述之開關電路，其中閘極驅動引擎包括： 一個延時電路，通過配置接收第一PWM訊號，並在第一PWM訊號的前沿產生一個預定義的延時，以便產生第三PWM訊號； 一個第一驅動器，通過配置接收第三PWM訊號，並為第一主開關產生一個相應的閘極驅動訊號；以及， 一個第二驅動器和一個第三驅動器，通過配置接收第一PWM訊號，並分別為輔助開關和第二主開關產生相應的閘極驅動訊號。
  10. 如請求項1所述之開關電路，其中配置相應的閘極驅動訊號，以便接通第一主開關比接通輔助開關晚一個固定的預定義時間段。
  11. 如請求項10所述之開關電路，其中配置相應的閘極驅動訊號，以便同時斷開第一主開關和輔助開關。
  12. 如請求項10所述該之開關電路，其中配置相應的閘極驅動訊號，以便斷開輔助開關比斷開第一主開關早。
  13. 如請求項1所述之開關電路，其中輔助開關的尺寸小於第一主開關的尺寸。
TW109142619A 2019-12-03 2020-12-03 減少開關節點振鈴的開關電路 TWI749933B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/702,247 US11031922B1 (en) 2019-12-03 2019-12-03 Switch circuit with reduced switch node ringing
US16/702,247 2019-12-03

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202123610A true TW202123610A (zh) 2021-06-16
TWI749933B TWI749933B (zh) 2021-12-11

Family

ID=74536590

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW109142619A TWI749933B (zh) 2019-12-03 2020-12-03 減少開關節點振鈴的開關電路

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11031922B1 (zh)
CN (1) CN112366943B (zh)
TW (1) TWI749933B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11677323B2 (en) * 2020-12-28 2023-06-13 Texas Instruments Incorporated Progressive power converter drive
US20230421049A1 (en) * 2022-06-27 2023-12-28 Texas Instruments Incorporated Adapting split-transistor switching power supply based on condition

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6144245A (en) * 1998-06-29 2000-11-07 Unitrode Corporation Adaptive leading edge blanking circuit to eliminate spike on power switching transistor current sense signal
TW561680B (en) * 2001-03-29 2003-11-11 Delta Electronics Inc Three-level soft-switched converters
JP4617595B2 (ja) * 2001-04-18 2011-01-26 富士電機システムズ株式会社 Ｄｃ／ｄｃコンバータおよびそのノイズ低減方法
JP4909684B2 (ja) * 2006-09-06 2012-04-04 三菱電機株式会社 半導体装置
US8946942B2 (en) 2008-03-03 2015-02-03 Alpha And Omega Semiconductor Incorporated Robust semiconductor power devices with design to protect transistor cells with slower switching speed
JP2014079150A (ja) * 2012-09-19 2014-05-01 Toshiba Corp 電磁機器駆動システム及びモータ駆動車両
US10418899B2 (en) 2014-04-14 2019-09-17 Alpha And Omega Semiconductor Incorporated MOSFET switch circuit for slow switching application
US9548729B2 (en) * 2015-06-16 2017-01-17 Cypress Semiconductor Corporation Switching circuit
US10103140B2 (en) 2016-10-14 2018-10-16 Alpha And Omega Semiconductor Incorporated Switch circuit with controllable phase node ringing
CN108336895B (zh) * 2017-01-18 2021-03-19 半导体组件工业公司 Dc-dc转换器、dc-dc功率转换系统及方法
US10256813B2 (en) * 2017-04-26 2019-04-09 Qualcomm Incorporated Fast transient high-side gate driving circuit
DE102018101932A1 (de) * 2018-01-29 2019-08-01 Infineon Technologies Ag Schaltwandler, der Pulsfrequenzmodulation und Strombetriebssteuerung verwendet
US10707767B2 (en) * 2018-12-04 2020-07-07 Infineon Technologies Austria Ag Two-level switch driver for preventing avalanche breakdown for a synchronous rectification switch in a power converter operating in a low-power burst mode

Also Published As

Publication number Publication date
CN112366943B (zh) 2024-06-04
US20210167758A1 (en) 2021-06-03
CN112366943A (zh) 2021-02-12
US11031922B1 (en) 2021-06-08
TWI749933B (zh) 2021-12-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9559613B2 (en) System and method for a switch driver
EP2779398B1 (en) A control method of high efficient buck-boost switching regulator
US8754675B2 (en) System and method for driving a switch
JP6382002B2 (ja) Ｄｃ−ｄｃコンバータ
US20170279354A1 (en) Hybrid Capacitive-Inductive Voltage Converter
US20140217959A1 (en) Hybrid bootstrap capacitor refresh technique for charger/converter
US20120133420A1 (en) System and Method for Bootstrapping a Switch Driver
US7528589B2 (en) Step-up DC/DC converter and electronic appliance therewith
US20050099164A1 (en) Pfc-pwm controller having interleaved switching
US10298132B2 (en) Switching power supply for low step down conversion ratio with reduced switching losses
US10122276B2 (en) Method for operating a power converter circuit and power converter circuit
KR20120021219A (ko) 양방향 ｄｃ?ｄｃ 컨버터용 소프트 스타트 방법 및 장치
TWI749933B (zh) 減少開關節點振鈴的開關電路
JP2008022642A (ja) Ｄｃ−ｄｃコンバータ
KR101734210B1 (ko) 양방향 직류-직류 컨버터
JP2014023272A (ja) スイッチング電源回路
JP2008072850A (ja) 昇降圧ｄｃ−ｄｃコンバータ
US11770073B2 (en) Methods and apparatus for regulated hybrid converters
JP5973801B2 (ja) スイッチングレギュレータ制御回路
US8503195B1 (en) System and method for zero volt switching of half bridge converters during startup and short circuit conditions
US9413232B2 (en) Droop reduction circuit for charge pump buck converter
US9590508B2 (en) Control apparatus, and control method for buck-boost power supply with two primary switches
US8324878B2 (en) Voltage regulator with gate resistor for improved efficiency
JP7028634B2 (ja) Ｄｃ／ｄｃコンバータの制御回路、制御方法、電源管理回路および電子機器
CN218514276U (zh) 自举电容稳压辅助电路及具有自举电容稳压辅助电路的电源转换器